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UWB 통신의 주요 이슈와 향후 기술동향

장병준* 이윤덕*

최근 근거리에서 광대역 신호를 송수신할 수 있는 UWB 기술에 대한 관심이 고조되고 있으며, 향후 UWB를 이용한 다양한 홈네트워크 기기들이 등장할 것으로 기대되고 있다. 하지만 현재까지도 UWB 시스템의 상용화 가능성에 대해서는 부정적인 시각이 존재하고 있는 것이 사실이다. 따라서 본 고에서는 이러한 UWB기술이 상용화되는데 고려해야 할 주요 이슈와 기술동향을 고찰하여 향후 UWB기술의 올바른 연구 방향을 제시하고자 한다. ▧

I. 머리말

최근 근거리에서 100Mbps 이상의 광대역 멀티미디어 정보를 송수신할 수 있는 통신 방식으로 UWB (Ultra Wide-Band) 기술이 부각되고 있다. 초기 짧은 단일 펄스에 의해 광대역 주파수 특성을 얻을 수 있었던 UWB 신호 생성 방법은 홈네트워크 등의 근거리 무선통신 기술의 요구사항에 맞게 현재 MB-OFDM(Multi-Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 방식 등으로 발전된 상황이며, 현재 IEEE 표준화 회의에서 활발히 논의되고 있다[1].

한편 2002년 미국 FCC는 UWB 기기의 운용에 대한 여러 가지 기술 기준을 제정, 공시하였는데 그 주요 응용 분야로 이미징 시스템, 옥내 및 휴대용 UWB 시스템 및 차량용 레이더 시스템을 제안하였다. 이러한 응용 분야중에서 현재 국내외적으로 가장 관심이 집중되는 분야는 옥내 및 휴대용 UWB시스템으로, 특히 국내에서는 유비쿼터스 환경을 구성하는 핵심 기술로서 홈 네트워크 분야가 차세대 10대 신성장 동력으로 선정됨에 따라 그 중요성이 특히 부각되고 있다.

UWB가 대중화되기 위해서는 수년전부터 근거리 통신 방식으로 고려되어온 블루투스(Bluetooth)의 경우처럼 낮은 가격으로 소형의 송수신기를 구성하는 것이 매우 중요하다. 실제로 UWB에서 고려하는 10m이하의 근거리 무선통신의 경우 휴대폰과 같은 별도의 제품으로 존재하기보다는 기존 A/V기기의 상호 연결 장치로서만 존재하여야 하므로 5달러 이하의 낮은 가격으로 소형의 A/V기기에 장착할 수 있어야 한다. 또한 UWB가 대중화되면UWB를 장착한 모듈의 수가 급속히 증가할 것이므로 UWB간의 주파수 간섭 및 802.11a 등과 같이 5GHz 주파수 대역을 사용하는 다른 협대역 시스템들에 의한 주파수 간섭 문제가 심각해질 것이다.

따라서 본 고에서는 이러한 예상 문제점들을 자세히 살펴보고 향후 UWB에 적합한 전송 방식 및 구현 방법에 대해 고찰함으로써 앞으로 UWB기술의 발전 방향을 살펴보고자 한다.

II. UWB 주파수 및 표준화 동향

UWB의 표준화는 아직 완료되어 있지 않지만 미국의 경우 2002년 UWB 기기의 운용에 대한 기술적인 조건이 발표되었다. FCC의 UWB기술 기준인 47CFR subpart F에서 말하는 UWB신호의 정의는 (그림 1)과 같다.

UWB 신호는 주파수 축상에서 500MHz이상의 10dB대역폭을 가지는 미약 신호를 의미하며, 이는 기본적으로 UWB신호가 과거 nsec단위의 짧은 펄스를 의미하는 용어에서 현재는 허가없이 사용할 수 있는(unlicensed) 근거리용 광대역 통신 방식을 의미하는 용어로 변경되었음을 의미한다.

UWB 신호의 적용 범위는 크게 이미징 시스템, 옥내 및 휴대용 UWB 시스템, 차량용 레이더 시스템으로 나눌 수 있으며, 홈네트워크 등에서 고려하는 근거리 고속무선통신의 경우 3.1~ 10.6GHz의 주파수 대역에서 최대 -41.3dBm/MHz의 방사전력 제한을 두었다. (그림 2)는 이러한 주파수에 따른 UWB 기기의 출력 특성을 나타내었다. 방사전력을 낮은 레벨로 제한한 것은 타 시스템에의 간섭을 최소화하며, 허가 없이 사용할 수 있도록 한 것이다.

UWB를 근거리 광대역 통신에 사용하기 위한 표준화는 IEEE802.15.3a에서 주로 논의가 되고 있으며, IEEE802.11이 무선 LAN을 표준화하는데 반하여 IEEE802.15는 무선개인망(Wireless Personal Area Network: WPAN)을 규정한다. IEEE802.15.3a의 표준화 대상은 물리계층으로 한정되며 MAC계층은 기존의 15.3에서 정의한 표준을 사용하는 것을 원칙으로 한다. 현재 논의되고 있는 주요 제안으로는 주파수 폭을 넓게 잡는 단일대역(Single-band) 방식과, MB-OFDM방식으로 나눌 수 있으며 MB-OFDM이 향후 UWB의 대세가 될 것으로 전망되고 있다. 이렇게 초기의 짧은 시간펄스를 사용하여 광대역 신호를 얻는 방식에서 다중대역 방식으로 UWB 통신의 의미가 변하게 된 가장 근본적인 원인은 UWB방식을 사용하게 될 홈네트워크 등의 통신환경에서 기본적으로 한정된 주파수를 다중 사용자가 사용해야 하기 때문이다. 이는 홈네트워크 등이 대중화될수록 다양한 기기들이 간섭 환경하에서 사용되어져야 하므로 주요 이슈가 될 전망이며, 초기의 짧은 시간 펄스를 이용하는 방식은 모든 것을 시간축상에서 처리하므로 1:1 통신에서는 단순성이라는 이점이 되지만 사용자가 다수일때는 간섭의 문제가 되어 단점이 되어 버리기 때문이다. 따라서 짧은 펄스 신호를 이용하는 방식은 차량용 레이다나 이미징 시스템 등의 다른 응용 분야에서 주로 사용되어질 전망이다[2].

본 고에서는 UWB의 가장 현실적인 대안으로 생각되고 있는 MB-OFDM 방식을 중심으로 향후 UWB의 미래 기술에 대해 설명한다. MB-OFDM의 경우 전체 UWB 주파수 대역을 <표 1>과 같이 13개의 밴드로 나누었으며, 5GHz 대역은 802.11a 무선 LAN방식과의 간섭을 피하기 위해 사용하지 않도록 규정하였다. MB-OFDM에서는 13개의 주파수 대역을 현재의 기술 수준에 맞게 개발할 수 있도록 동작 모드를 분리하였다. 가장 간단한 구조를 가지게 될Mode 1 소자를 위한 주파수 대역으로 3.618GHz에서 4.752GHz의 3개의 대역을 사용할 수 있도록 하였으며, Mode 2 소자는 Mode 1의 주파수 대역에 6.072GHz에서 8.184GHz의 4개의 대역을 추가하여 사용하도록 규정하였다. 나머지 대역은 UWB기술이 고도로 발달하게 되면 사용할 수 있도록 하였다. 이는 현재의 반도체 기술로 전체 대역을 사용할 수 있는 RF송수신부를 저가로 구성하는 것이 어렵다는 것을 입증함과 동시에 5GHz대역을 사용하는 타 시스템과의 간섭을 최소화 하여야 함을 나타낸다. (그림 3)에서 MB-OFDM의 동작모드에 따른 사용 주파수를 표시하였다.

MB-OFDM의 모드 1 장치의 물리계층 데이터 프레임인 PLCP(Physical Layer Convergence Procedure)의 구성은 (그림 4)와 같다. PLCP 프레임은 크게 PLCP Preamble, PLCP Header, 데이터의 3부분으로 나누어진다. PLCP Preample은 OFDM신호의 동기(Synchronization), 반송파-옵셋 동기(carrier-offset recovery), 채널 추정(channel estimation) 등을 위해 사용되며, PLCP Header는 PHY header, MAC header, HCS(header check sequence) 등으로 구성된다. PLCP Header는 언제나 55Mbps로 전송되며 4k bytes의 데이터의 경우는 채널 상태 및 응용에 따라 55, 80, 110, 160, 200, 320, 480Mbps로 가변하여 전송이 가능하다. 이중에서 55, 110 및 200Mbps는 의무적으로 지원해야 하는 데이터 전송속도이다.

이러한 데이터 프레임은 122개의 부반송파를 사용하는 OFDM방식과 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying) 방식으로 변조된다. 채널코딩의 경우는 11/32, 1/2, 5/8, 및 3/4의 부호율을 갖는 길쌈부호화기(convolutional coding)가 사용된다.

III. UWB 통신 방식의 시스템 설계

본 장에서는 MB-OFDM 방식의 시스템 설계를 자세히 살펴보기 위하여 시스템 링크 설계와 송수신기 설계 측면에서 살펴본다. 먼저 MB-OFDM 방식을 이용한 모드 1장치의 송수신 시스템 링크 설계는 <표 2>와 같다. <표 2>는 110, 200, 480Mbps의 전송을 위해 필요한 송신 출력 및 수신 감도를 나타내었다. 계산시 부호율은 1/2로 가정하였고, 수신기의 잡음지수는 현재의 기술 수준을 고려하여 6.6dB로 계산하였다. 표에서 알 수 있듯이 110Mbps급의 모드 1장치의 경우 10m 거리에서 -10.3dBm 정도의 낮은 출력으로 -80.5dBm의 수신감도를 유지할 수 있으며, 480Mbps의 경우 2m 거리에서 -72.7dBm의 수신감도를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

다음으로 MB-OFDM 방식의 송수신기 구성을 살펴보면 송수신기 구성은 아직도 논의가 진행중이며, 이는 현재까지 군사용 및 특수 목적의 경우와 밀리미터파 대역의 일부 예외 경우를 제외하고는 500MHz정도의 광대역을 갖는 통신 시스템이 상용화된 적이 없기 때문이다[5]. 하지만 5달러 이하의 저가로 초소형 구조를 갖추어야 한다는 요구조건과 MB-OFDM의 모뎀 방식을 토대로 송수신기의 구성을 예측하면 (그림 5)와 같이 구성될 전망이다. 본 고의 논의를 무선통신 측면에서 살펴보기 위해 그림에서 coder/decoder 부분 및 A/V기기와의 인터페이스를 위한 회로는 생략하였다.

(그림 5)와 같이 MB-OFDM 방식의 UWB 송수신기는 초창기 시간 펄스를 생성하고 수신하는 임펄스 라디오의 구성과는 근본적으로 다르며, 오히려 종래의 무선통신 송수신기와 유사함을 알 수 있다. 그림에서 기준 PLL(Reference PLL)은 신호의 MB-OFDM 신호를 생성하기 위한 기준 신호를 만들기 위해 필요하며, 변조기(Modulator)에서 만들어진 신호는 ADC와 주파수 상향 변환기 및 구동 증폭기를 거쳐 안테나를 통해 송신하게 된다. 수신기의 경우 안테나로부터 수신된 신호는 저잡음증폭기(LNA)를 통해 증폭되고 주파수 하향 변환기를 거쳐 기저대역으로 변환된 다음 ADC로 샘플링된 후 복조과정을 거치게 된다.

IV. UWB 방식의 주요 기술적인 이슈

앞에서 살펴본 바와 같이 UWB 방식의 통신 모듈은 기존의 협대역 통신 시스템과 구조는 유사하나 기존 시스템에 비해 동작주파수 대역이 광대역이며 채널 간격이 매우 넓음을 알 수 있다. 다행히 송신출력이나, 수신부의 잡음지수, 주파수 합성기의 위상잡음 등 다른 RF요구조건은 상대적으로 느슨한 편이다. 따라서 RF요구조건이 매우 까다로운 협대역 셀룰러 방식과는 전혀 다른 설계 기법이 요구됨을 알 수 있다. 현재로서는 RF기술의 한계로 인해 Mode 1부터 상용화될 것으로 전망되고 있다. 따라서 앞으로 UWB기술이 대중화되기 위해서는 이러한 기술적인 문제들에 대한 지속적인 연구가 필요하며 그럼으로써 UWB에서 목표로 하는 10.6GHz까지의 전 주파수 대역을 사용할 수 있을 것으로 전망된다. 본 장에서는 UWB가 구현되기 위해 필요한 각 주요 기술적인 이슈를 소개하고 앞으로의 전망에 대해 살펴보기로 한다.

1. 소형 안테나 및 전파 기술

UWB대역은 초광대역을 필요로 하므로 UWB안테나는 넓은 주파수 범위에서 양호한 임피던스 정합 및 복사패턴을 유지하는 특성을 가져야 한다. 또한 점차 소형화 추세에 있는 무선통신 시스템의 요구조건에 맞추기 위해서는 무엇보다도 안테나의 소형화가 이루어져야 한다. 하지만 기본적으로 안테나는 협대역 특성을 가지며, 소형화할 경우 효율이 떨어지는 경향이 있다. 따라서 앞으로 UWB안테나에 대한 지속적인 연구가 필요하며, 먼저 Mode 1을 지원하는 안테나에 대한 설계가 필요하고 다음으로 Mode 1과 Mode 2를 모두 지원하는 이중 대역의 안테나가 필요할 것으로 사료된다. 궁극적으로는 10GHz까지의 모든 대역을 소형 안테나로 구성하는 연구가 진행되어야 할 것이다[9].

2. 광대역 RF 기술

송수신기의 구성은 이동전화 단말기와 같이 다단 IF대역을 사용하는 구조가 간섭제거는 용이하지만 가격 및 소형화 측면에서 사용되지 않을 것으로 예상되며, 직접 변환 방식이나 Low IF대역에서 샘플링하는 방식이 사용될 전망이다. 이러한 UWB 송수신기의 각각의 소자들에게서 요구되는 성능을 살펴보면 다음과 같다.

가. RF전단 필터 및 T/R 스위치

RF전단필터의 특성은 Mode 1의 경우 통과대역인 3.618GHz에서 4.752GHz 범위에서 최소 삽입손실 1.1dB 이하이며 통과대역외 주파수의 경우 35dB 이상의 차단 특성을 가져야 한다. Mode 2의 경우는 하나의 필터로 두개의 통과대역을 갖도록 설계하는 것이 매우 어려우므로 RF전단 필터 2개를 사용하여 사용주파수에 따라 스위칭하거나 가변 통과대역을 갖는 RF전단 필터가 필요하다. 향후 RF MEMS 기술이 고도로 발전하게 되어 RF전단 필터가 칩속에 삽입되는 구조가 되면 UWB의 저가격으로 인한 장애중 하나인 필터 문제가 해결될 수 있을 것으로 기대되고 있다.

T/R 스위치의 경우 통과대역 전체에 걸쳐 0.6dB의 삽입 손실을 가지며 UWB의 고속 특성상 10usec이하에서 고속 스위칭이 가능하도록 설계되어야 한다. T/R 스위치도 과대역 RF소자와 동일한 칩안에 설계되어야 한다.

나. 광대역 RF소자

현재 고려하는 능동소자의 반도체 기술로는 모드1(3-band)의 경우 0.13㎛ CMOS공정이나 SiGe공정이 고려 대상이므로 이러한 실리콘 소자로 5GHz 이상의 마이크로파 주파수 대역까지 동작하는 광대역 증폭기 및 주파수 상/하향 변환기를 설계하여야 한다. 이는 현재까지도 매우 어려운 기술로써 앞으로 많은 연구가 필요한 실정이다. 또한 전력소모가 낮은 ADC를 위해서 가변 이득 특성을 갖는 증폭기가 필요하며, 광대역 특성에 이득 가변 특성까지 갖는 증폭기 설계도 주요 이슈가 될 전망이다.

모드 2의 경우는 통과대역이 8GHz 근방까지 올라가므로 CMOS 공정보다는 SiGe 공정이 사용될 것으로 예상되며 이중 대역 동작을 위한 RF회로 기술이 필요하게 된다. 증폭기나 주파수 변환기 설계 역시 초광대역으로 동작하여야 하므로 이에 대한 많은 연구가 필요하다. 단, 송신기의 경우 평균 송신 전력은 -10.3dBm으로 매우 낮으므로 별도의 전력증폭기는 필요하지 않을 전망이다.

다. 주파수 합성기

주파수 합성기의 경우 광대역 신호의 특성상 낮은 위상잡음 특성을 요구하기보다는 빠른 스위칭 시간을 갖는 광대역 주파수 합성기가 필요할 것으로 보인다. 주파수 합성기의 기준 주파수는 132MHz정도가 사용될 것으로 보이며, 이 기준 주파수는 기저대역 처리부의 기준 클락으로도 사용되게 된다. 전압제어발진기(VCO)의 경우 모드 1의 경우에도 주파수 대역이 1.5GHz로 매우 넓기 때문에 광대역 설계 기법을 사용하거나 주파수 혼합기 등과 같이 별도의 회로를 이용한 스위칭 기법이 사용되어야 한다. 저가격화를 위해 별도의 공진기 없이 링발진기를 칩속에 내장하는 형태가 될 것으로 보이며, 스위칭 시간이 수 nsec 단위로 동작하므로 고속으로 스위칭 될 수 있는 구조에 대한 연구가 필요하다[10].

3. 기저대역 처리부

ADC/DAC는 전력소모를 줄이고 저가격화를 위해 4bit혹은 6bit가 사용되어질 것으로 전망되며 샘플링 주파수의 경우500MHz까지의 동작범위를 가져야 한다. 모뎀의 경우는 480Mbps급의 데이터의 변복조를 OFDM방식으로 구현하기 위해서 고속의 회로 설계가 필요할 것으로 사료된다.

4. 반도체 기술

UWB시스템이 마이크로파 대역을 사용하지만 기본 반도체 기술은 화합물 반도체보다는 실리콘 계열의 반도체를 사용할 예정이다. Si-계열의 반도체를 사용할 경우 RF전단까지 CMOS를 사용하는 방식과 RF전단은 SiGe계열로 구성하고 기저대역 처리부는 CMOS로 구성하는 두가지 방법이 있다. 저가격으로 UWB방식을 구현하기 위해서는 Si-CMOS기술로 RF전단까지 구성하여야 하는데, 이 경우 10GHz의 높은 주파수에서 성능 열화의 문제가 발생할 수 있으므로 모드 2이상의 장비에서는 SiGe기술과 CMOS기술 모두를 사용하는 2-chip 솔루션이 일반적일 것으로 생각된다[11].

5. 패키징 기술

현재 고려하는 모듈의 구성은 Mode 1(3-band)의 경우 0.09㎛ CMOS 공정을 사용할 경우 5㎟ 정도의 크기로 구현될 것으로 전망되고 있다[4]. 기본적으로 RF부분이 3㎟의 크기에 집적화될 것이며, 디지털 부분이 2㎟의 크기를 차지할 것으로 보인다. 나머지 부분은 송수신 스위치, RF전단 필터, 안테나 구동을 위한 balun, 수정발진기, 전압정류기 및 MAC처리를 위한 메모리소자로 구성될 것으로 전망된다. Mode 2의 경우는 RF부의 증가로 크기가 다소 커질 전망이다. 이렇게 초소형의 모듈을 구성하기 위해서는 (그림 6)과 같이 LTCC(Low Temperature Cofired Ceramic) 기판을 이용한 MLC(Multi-Layer Ceramic) 기법을 이용하여 패키징될 전망이다. LTCC의 경우 칩 부품을 LTCC 기판상에 설치하고, 각기 다른 모든 수동소자를 각 층에 구현함으로써 UWB 송수신부를 초소형화할 수 있다[12].

또한 설계 측면에서도 UWB 방식은 광대역 신호를 전송하여야 하기 때문에 협대역 통신 방식에서와 같이 개별 부품을 별도로 설계하여 Integration하기보다는 부품 안테나/패키지/RF기술을 모두 고려하는 회로 설계가 필요하다[8].

V. 맺는 말

앞에서 살펴본 바와 같이 초기 UWB 방식의 모델이었던 주파수 변환 없이 시간 펄스를 이용하는 UWB방식은 향후 홈네트워크 등에서 요구되는 다양한 사용자를 동시에 수용하는 요구조건을 만족시킬 수 없을 것으로 예상되며, MB-OFDM 등의 채널화된 통신 방식이 이용되어질 전망이다. 이에 따라 소형, 저가격, 광대역 특성을 갖는 RF소자 및 시스템에 대한 활발한 연구가 필요하다. 과거 협대역 통신방식에서는 각각의 구성회로를 별도로 설계하여 집적화하는 것이 가능하였지만 UWB기술은 안테나부터 시작하여 패키징까지의 상호 작용을 고려한 통합 설계가 필요하며, 따라서 UWB기술의 상용화는 반도체 소자 기술에서부터 시스템 기술까지 다양한 분야에서 현재부터 활발한 연구가 필요한 주요 테마가 될 것이다.

<참 고 문 헌>

[1] 김동호, 조평동, 박기식, “외국의 UWB 기술기준 제정 동향,” ETRI 전자통신동향분석, 2003. 12.

[2] 김인환, 최문영, “UWB(Ultra Wide-Band) 표준 및 응용 모델,” TTA저널, 제88호.

[3] David G. Leeper, “Ultrawideband – The Next Step in Short-Range Wireless,” IEEE MTT-S Digest, June 2003, pp.357-360.

[4] www.multibandofdm.org, “Multi-band OFDM Physical Layer Proposal for IEEE 802.15 Task Group 3a,” 2003. 11.

[5] 장병준, “60GHz 주파수 대역의 무선 통신 연구동향,” 주간기술동향, 제1004호, 2001. 7, pp.1-11.

[6] 장병준, 윤석환, 이윤덕, “UWB를 이용한 차량용 레이더 기술 동향 및 전망,” 제1134호 . 2004. 2.

[7] G. Roberto Aiello, “Challenges for Ultra-Wideband(UWB) CMOS Integration,” 2003 IEEE MTT-S Digest, June 2003, pp.361-364.

[8] M. J. McCullagh, “Radio Design Challenges for UWB Systems,” UWB 2003, March 2003.

[9] 김종규, 허유강, 조영기, “UWB 안테나 기술동향,” 한국전자파학회지, Vol.13, No.3, 2002, pp.24-32.

[10] 구본산, 신금식, 이문규, 장병준, 류근관, “초광대역(UWB) 응용 시스템을 위한 L밴드 전압제어발진기 설계,” 한국전자파학회논문지, Vol.15, No.3, 2004. 3.

[11] 이근호, 김준호, “다중 모드/대역 CDMA 단말기용 SiGe RFIC 기술동향,” 한국전자파학회지, Vol.12, No.3, 2001, pp.43-48.

[12] 강종윤, 윤석진, “LTCC를 이용한 RF 부품 기술,” 한국전자파학회지, Vol.12, No.3, 2001, pp.80-90.

UWB를 이용한 차량용 레이더 기술 동향 및 전망

장병준* 윤석환** 이윤덕***

차량용 레이더란 지능형 교통시스템을 구현하기 위한 필수 기술로서 열악한 기상조건 또는 운전자의 부주의로 인해 발생 가능한 사고를 미연에 방지할 목적으로 개발된 차량의 안전 운행 시스템이다. 최근 UWB(Ultra Wide-Band)기술의 발달에 따라 2002년 FCC에서는 22~29GHz의 7GHz대역을 UWB 통신방식을 이용하여 차량용 레이더에 사용할 수 있도록 조정함으로써 향후 관련 기술의 활발한 연구가 진행될 것으로 전망되고 있다. 따라서 본 고에서는 이러한 UWB 방식의 차량용 레이더에 요구되는 여러 가지 기술적인 사항들과 발전전망에 대해 고찰한다. ▧

I. 머리말

최근 높은 전송 속도와 함께 무선통신에 있어서 항상 문제점으로 제기되어온 무선 기기들 사이의 전파간섭 문제를 모두 해결할 수 있는 통신 방식으로 UWB(Ultra Wide-Band) 기술이 부각되고 있다. 초기 짧은 단일 펄스에 의해 광대역 주파수 특성을 얻을 수 있었던 UWB 신호 생성 방법은 현재 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), Multi-Band 등 여러 가지 방식으로 발전된 상황이며, 각각의 방식들은 IEEE 등과 같은 국제 표준화 회의에서 활발히 논의되고 있다[1].

이에 발맞추어 2002년 미국 FCC는 UWB 기기의 운용에 대한 여러 가지 기술 기준을 제정, 공시하였는데 그 주요 응용 분야로는 이미징 시스템, 옥내 및 휴대용 UWB 시스템 및 차량용 레이더 시스템을 제안하였다. 이러한 응용분야중에서 현재 국내외적으로 가장 관심이 집중되는 분야는 옥내 및 휴대용 UWB시스템으로, 국내에서는 유비쿼터스 환경하에서의 홈 네트워크 분야가 차세대 10대 신성장 동력으로 선정됨에 따라 그 중요성이 특히 부각되고 있다.

이에 반해 차량용 레이더 시스템의 경우 UWB의 응용에 대한 연구는 국내에서는 아직까지 미비한 실정이다. 하지만 국내 자동차 산업과 이동통신 산업의 세계적인 경쟁력을 감안할 경우 향후 텔레매틱스(Telematics) 분야의 발전 전망은 매우 높으며, 따라서 차량용 레이더 시스템에 대한 UWB응용 연구가 활발해질 전망이다. 따라서 본 고에서는 UWB 방식을 이용한 차량용 레이더 시스템에 대한 관심을 고조시키고 향후 이 분야에 대한 연구가 활성화 될 수 있도록 본 기술에 대한 기술 소개 및 발전 전망에 대하여 기술하고자 한다.

II. 차량용 레이더 시스템

차량용 레이더는 (그림 1)과 같이 충돌 방지용 전방 감시 레이더 및 후방 및 측면 감시 레이더 시스템으로 나뉘어 질 수 있는데 충돌 방지용 전방 감시 레이더의 경우 동작거리 30m 이상의 차량을 검출할 수 있어야 하므로 기본적으로 고출력이 요구되어, 최근까지 76/77GHz 대역의 밀리미터파 대역이 주로 사용되고 있다. 현재 국외의 유수 자동차 제조업체들이 이미 77GHz대역의 차량용 레이더의 장착을 옵션화하여 제공하고 있으며, 대표적인 업체들로는 Daimler-Benz, BMW, Nissan, Toyota, Honda, Volvo, Ford 등을 들 수 있다. 이러한 차량용 레이더를 적용한 기술은 “Active cruise control(ACC)” 또는 “Intelligent cruise control” 등으로 불린다.

하지만 77GHz 대역은 매우 정밀한 분해능(Resolution)을 필요로 하는 측면과 후방 감시용으로 사용하기에는 그 대역폭이 너무 좁아서 사용하기에 부적절하다. 예를 들어 측면과 후방 감시용 자동차용 레이더에서 요구하는7.5cm의 분해능을 갖기 위해서는 적어도 4GHz이상의 대역폭을 갖는 레이더 시스템이 필요한 것으로 보고되고 있다[2]. 따라서 이에 대한 요구사항을 반영하기 위하여 2002년 미국 FCC는 UWB 기기의 운용에 대한 여러 가지 기술 기준을 제정, 공시하였는데 그 주요 응용분야중의 하나로 고해상도 차량용 레이다를 22~29GHz의 7GHz 대역폭을 사용하도록 명기하였다.

(그림 2)에 이러한 주파수에 따른 최대 허용 출력 기준을 표시하였다. 또한 이러한 UWB 방식을 이용한 차량용 레이더 시스템에 대한 기술 기준에 대한 요약은 <표 1>과 같다. <표 1>의 마지막 항목인 방사 제한 특성은 현재 미국내 천문우주 분야에서 사용되고 있는 23.6~24GHz대역을 보호하기 위한 요구 조건이다.

국내의 경우는 현재까지 UWB 기기의 운용에 관한 별도의 기술적 조건이 아직 제정된 바가 없지만 현재 UWB 시스템에 대한 관심이 증대되고 있는 점을 감안하다면 조만간 차량용 레이더의 경우에 적용할 수 있는 기술기준이 제정될 것으로 기대하고 있다.

차량용 레이더는 동작거리에 따라 5m 이하의 근거리(Near-range)와 20m 정도의 중거리(Mid-range)로 나눌 수 있다. 근거리 동작의 경우 고 분해능을 요구하므로 목표물의 RCS(Radar Cross Section)의 넓은 동적 범위를 분해할 수 있도록 높은 분해능을 필요로 한다. 따라서 레이더 형태중에 PN-Coded 방식이나 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)방식이 사용되게 될 것이다. 이 경우 송수신이 동시에 이루어지므로 송신부와 수신부간의 적절한 격리(Isolation) 특성을 유지하는 것이 매우 중요하다. 중거리용 레이더의 경우 펄스 레이더를 사용하게 되는데 이 경우 타이밍 회로가 복잡해지는 단점이 있지만 송수신부간에 격리 특성이 우수하여 분해능을 높일 수 있는 장점이 있다.

펄스 레이더의 경우 주요 파라미터는 다음과 같다.

- Pulse Width(FCC 규정에 의해 7GHz 대역폭 전체를 사용할 경우 300pS이상, 4nS 이하)

- PRI(Pulse Repetition Interval)

- Duty Cycle (Pulse Width / Period of Pulse)

- Peak Power

- Carrier Wave Frequency

- Antenna Pattern

이러한 파라미터들은 레이더의 최대/최소 측정 가능거리 및 피측정체의 종류에 따라 다양한 값들이 선택될 수 있다. FCC 규칙에 의하면, 최대 전력(Peak Power)은 50MHz대역에서 일정한 값의 전력이라고 가정할 경우 -17dBm/MHz이며, 이를 -41.3dBm 제한과 연동시키면 duty cycle은 1/269(~0.4%)가 된다. 펄스폭의 경우 7GHz 전체를 사용할 경우 300pS에 해당하므로 이는 현재 기술로 구현이 매우 어려운 기술이므로 적절히 대역폭을 나누어 사용해야 할 것으로 전망된다.

III. 차량용 레이더 시스템 관련 핵심 기술

과거 77GHz 중심의 충돌 방지용 레이더 시스템의 경우 상용화에 걸림돌로 작용한 요인 중 대표적인 요인은 그 동작 주파수가 밀리미터파 대역이라는 점이었다. 현재 반도체 기술의 한계로 밀리미터파 대역의 시스템의 경우 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit) 등의 소자 기술과 어셈블리 및 패키징 기술 등의 성숙도가 떨어지며, 따라서 가격적인 면에서도 시장성을 갖추기에는 현재까지도 제조 단가가 상당히 높은 편이다. 또한 높은 주파수 대역에서 도파관 등을 사용한 필터 등의 수동 소자의 사용으로 소형화하는데도 한계가 있다. 반면에 22~29GHz의 경우 위성통신 등에서 사용되어온 주파수 대역이기 때문에 그 동안 축적되어온 기술의 성숙도로 인해 상대적으로 상업화의 가능성이 높다. 또한 출력 전력이 상대적으로 낮아 송수신부간에 Isolation 문제가 적을 것으로 예상되므로 집적화하기가 용이하다[8]. (그림 3)은 송수신 안테나와 송수신 모듈이 집적화된 UWB 레이더에 대한 가상적인 개념도를 나타낸다.

(그림 3)의 경우 앞면에 송수신 안테나가 별도로 구성되어 있는데 <표 1>에 표시한 방사제한 특성을 맞추기 위하여 수직 방향으로 마이크로스트립 안테나가 배열되어 있다. 배열의 개수는 시스템 규격에 따라 가변될 수 있다. 그림에서는 FMCW레이더를 가정하여 송수신 안테나가 별도로 그려져 있으나 펄스레이더의 경우는 송수신 겸용으로 사용할 수도 있다.

안테나 뒷면은 단일칩 송신용 MMIC 와 수신용 MMIC, 기준신호를 발생하는 고주파 신호원 MMIC, 그리고 레이더 신호처리 및 차량용 CAN(Controller Area Network)-bus와의 인터페이스를 처리하는 신호처리용 ASIC의 4개의 주요 칩으로 구성된다고 예상할 수 있다. 모든 칩과 안테나간의 인터페이스 및 상호 연결은 초고주파 대역이므로 전송 선로의 분산 특성을 고려하여 설계하여야 하며, 또한 차량 탑재용이므로 환경적인 측면과 신뢰성 측면을 모두 고려하여 어셈블리와 패키징이 이루어져야 한다.

이러한 모듈을 설계할 때 향후 예상될 수 있는 회로설계 및 양산 과정에서의 문제점들을 분석하면 다음과 같다.

① sub-nS 간격의 펄스를 사용함에 따른 회로의 분산 특성

UWB시스템은 광대역 시스템이므로 일반 전송선로의 주파수에 따른 특성이 다를 경우 펄스의 지연 및 퍼짐 현상이 발생한다. 이는 회로 설계 및 패키징에도 영향을 주어 반도체 기판상의 PAD, wire-bond 등의 특성도 주파수 선택적 특성이 있으므로 시스템 설계시 이러한 상황을 충분히 고려하여 설계하여야 한다.

② 저가격화를 위한 집적화 기술

20GHz대역의 회로가 저가로 구현되기 위해서는 어셈블리와 패키징이 중요한 문제가 된다. 어셈블리와 패키징은 차량에서 요구하는 높은 신뢰도와 생산성을 요구함과 동시에 경제성까지 가져야 한다. 종래에는 wire-bonding과 금속 패키징이 이 주파수 대역에 사용되었으나, wire-bond의 주파수 특성 및 생산성을 고려한다면 플립칩(flip-chip) 본딩, LTCC적층기술을 이용한 멀티칩 모듈(Multi-Chip Module: MCM) 등의 기술이 향후에는 적용될 전망이다. 예를 들어 플립칩 본딩은 MMIC의 뒷면의 접지면을 없앨 수 있는 CPW(CoPlanar Waveguide) 기술과 함께 사용한다면 패키징 문제를 상당 부분 해결할 수 있다. 또한 (그림 2)에서 보는 바와 같이 안테나와의 일체형 설계가 예상되므로 안테나까지 포함한 패키징 기술 및 RF MEMS 기술을 이용한 필터 등의 수동소자의 소형화 및 능동소자와의 집적화 연구도 활발하게 될 것으로 전망되고 있다.

③ 밀리미터파 대역에서의 안테나 방사특성 조정

<표 1>의 방사제한 특성은 상향 방향으로 매우 낮은 부엽(sidelobe) 특성을 갖는 밀리미터파 대역의 광대역 안테나 설계를 필요로 한다. (그림 2)에서처럼 저가격화를 위해 일반적인 마이크로스트립 수직 배열 안테나를 설계할 경우 상/하향 방향으로 동일한 부엽 특성이 발생한다. 따라서 상향 방향으로의 부엽 특성을 낮추기 위해서는 배열 소자간의 적절한 가중치를 두어 설계하여야 하므로 이는 밀리미터파 대역에서 고난이도의 기술이다. 또한 UWB의 특성상 밀리미터파 대역에서 광대역 설계를 하여야 하므로 일반적인 마이크로스트립 안테나는 협대역 특성을 가지므로 대역폭을 확장시킬 수 있는 광대역 설계 기법이 적용되어야 한다. 또한 안테나부와 RF모듈간의 일체화된 구조가 예상되므로 안테나 급전부와 RF모듈간의 급전부 설계 및 능동 안테나(Active Antenna) 등의 연구가 필요하다.

④ 신뢰성 있는 전자 부품

차량용 레이더 기술에서 중요한 고려사항 중의 하나는 차량을 매개로 하므로 차량의 온도범위, 진동 특성, 전원 등을 고려하여 신뢰성 있는 RF기술을 사용해야 한다는 점이다. 예를 들어 컴퓨터의 경우 설계시 고려하는 동작온도는 0℃에서 55℃인데 반해 자동차의 경우 -40℃에서 55℃이다. 진동의 경우도 주요 고려사항이며, 자동차의 생명 주기가 10년 이상이므로 이를 고려한 신뢰성 있는 전자 부품 및 모듈 기술을 필요로 한다.

또한 현재 국내의 경우 자동차 회사와 전자부품 및 시스템 관련 회사간의 연구 협력이 활발하지 않으므로 향후 차량용 레이더 기술의 활성화를 위해서는 자동차 부품 전문회사와 전자부품 전문회사간의 다양한 채널을 통한 연구 협력이 필요하리라 생각된다.

IV. 맺는 말

차량용 레이더란 지능형 교통시스템을 구현하기 위한 필수 기술이지만, 과거 76/77GHz대역의 밀리미터파 주파수 대역을 할당함으로써 상용화에 많은 문제점을 가지고 있었다. 최근 UWB기술의 발달에 따라 차량용 레이더에 UWB 기술을 적용함으로써 저가로 고정밀 레이더 시스템이 상용화될 수 있는 계기가 마련되었다. 이는 향후 텔레매틱스 기술의 발달을 촉진시키는 계기가 될 전망이므로, 앞으로 이러한 분야의 지속적인 연구를 통해 연관 기술을 개발하여야 할 것으로 보인다. 또한 이를 바탕으로 앞으로 타 산업과의 연계와 관련 기술의 축적 및 시스템 구축 측면에서 지속적인 관심과 투자가 필요하다.

<참 고 문 헌>

[1] 김동호, 조평동, 박기식, “외국의 UWB 기술기준 제정 동향,” ETRI 전자통신동향분석, 2003. 12.

[2] G. Roberto Aiello, “Invited – Challenges for Ultra-wideband(UWB) CMOS Integration,” 2003 IEEE MTT-S Digest, June 2003, pp.361-364.

[3] Ian Gresham, et al, “Ultra Wide Band 24GHz Automotive Radar Front-End,” 2003 IEEE MTT-S Digest, June 2003, pp.369-372.

[4] 김인환, 최문영, “UWB(Ultra Wide-Band) 표준 및 응용 모델,” TTA저널, 제88호.

[5] C. Rheinfelder, et al, “Sensor System Based on SiGe MMICs for 24GHz Automotive Applications,” 2001 IEEE MTT-S Digest, May 2001.

[6] 김동호, 조평동, “차량용 레이더 응용 기술 및 발전 방향,” ETRI 전자통신동향분석, 2003. 2.

[7] 박공만, “CAR RADAR 기술 발전 및 산업 동향,” 전파 제104호, 2002. 1.

[8] 장병준, “60GHz 주파수 대역의 무선 통신 연구동향,” 주간기술동향, 제1004호, 2001. 7.

UWB 신호의 측정 기술 분석

김동호* 조평동** 박기식***

UWB(Ultra Wide-Band) 기술은 기기가 발생시키는 펄스 신호의 광대역 주파수 특성을 바탕으로 한 여러가지 장점으로 현재 전세계적인 관심을 끌고 있다. 이와 관련하여 ITU-R SG1 산하의 TG 1/8에서는 UWB 기술에 대한 표준화 작업이 현재 진행중에 있으며, 기타 다른 나라에서는 자국의 전파환경에 적합한 기술적 조건들이 만들어지고 있다. 미국의 경우는 이미 2002년 UWB 기기의 운용에 관한 기술적 조건을 제정하여 운영중에 있으며, 유럽과 일본 등지에서도 현재 관련 기준의 제정작업을 진행중에 있다. 본 논문에서는 미국 FCC의 기술기준이 제시하고 있는 RF 복사전력과 관련된 세부 기준들의 제정 배경에 대해 NTIA(National Telecommunications and Information Association)의 연구결과를 근거로 기술적인 관점에서 살펴 보았다. ▧

I. 서 론

미국 FCC에서는 2002년 2월 14일 첫번째 report and order의 채택을 통해 UWB 기술을 이용한 무선기기들이 자국내에서 합법적으로 사용될 수 있도록 하였다[1]. UWB 기기의 운용과 관련된 FCC의 기술기준은 현재 47CFR part 15의 subpart F에 제시되어 있다[2]. Subpart F에서는 UWB 기기의 활용 용도를 크게 이미징 시스템, 실내 운용용, hand-held용 그리고 차량 레이더용의 4가지로 구분하였으며, 각각의 구분된 용도에 따른 세부 운용방법과 제한사항과 더불어 RF 복사전력(radiated power)에 관한 세부적인 기준을 제시하고 있다. <표 1>은 위에서 구분된 용도에 대해 주파수 범위에 따른 복사전력의 제한치를 보여준다.

본 논문에서는 NTIA의 연구결과를 바탕으로 <표 1>에 제시된 RF 복사전력 제한치가 제정되기까지의 과정과 세부적인 UWB 신호의 특성 및 주요 측정과정에 관하여 다루고자 한다[3,4].

II. UWB 신호의 기본 특성

UWB 신호는 용어가 정의하는 바와 같이 아주 넓은 주파수 대역폭을 갖는 신호를 의미한다. 일반적으로 UWB 신호는 현재에 사용되고 있는 주파수 확산 방식을 이용한 광대역 통신방식들보다 훨씬 넓은 대역폭을 차지하게 되는데, 이러한 UWB 신호의 초광대역성은 시간영역에서 폭이 아주 좁은 펄스의 형성에서 비롯된다. 현재 다양한 변조방식들이 국제 표준화 작업을 통하여 제안되었는데, 이러한 다양한 UWB 신호의 시간 영역 혹은 주파수 영역에서의 특성은 모두 시간 영역에서의 펄스신호에 바탕을 두고 있다. 따라서 우선 펄스신호가 갖는 특성을 시간영역과 주파수 영역에서 각각 살펴 보겠다.

1. 펄스 신호의 특성

(그림 1 a)와 (그림 1 b)는 일반적인 펄스 신호의 시간영역과 주파수 영역에서의 특성을 간략하게 보여주고 있다. (그림 1 a)는 시간 영역에서의 펄스 신호를 정의하기 위한 몇가지 정의를 포함하고 있으며, (그림 1 b)는 이러한 펄스 신호가 주파수 영역에서 어떻게 표현되는지를 보여준다[5,6].

우선 펄스신호의 가장 큰 특징은 주파수 영역에서 연속적인 신호(continuous wave: CW)와는 달리 스펙트럼이 선으로 표현된다는 것이다. 이러한 특징은 시간적으로 불연속적인 신호특성에 기인한 것으로 시간영역에서 주파수영역으로 퓨리에 변환(Fourier transform)을 통하여 쉽게 확인 가능하다. (그림 1 b)의 라인 스펙트럼은 펄스의 주기와 역수관계를 가지며, 스펙트럼의 크기가 ‘0’되는 부분(null)은 정확히 펄스폭의 역수의 정수배에 해당하는 지점이 된다.

펄스 신호의 이러한 라인 스펙트럼 특성은 정확한 측정에 있어서 상당한 주의를 요한다. 즉, 측정하고자 하는 수신기의 대역폭이 위의 스펙트럼을 포함하기에 충분히 넓으면 종래의 측정 방법과 큰 차이가 없지만, 그렇지 않은 경우에는 수신 대역폭에 따라 수신된 펄스 신호의 스펙트럼 또는 그 신호의 크기는 상당한 차이를 보이게 된다. 현재 사용되고 있는 대부분의 통신기기는 UWB 신호 대역폭에 비해 훨씬 좁은 송수신 대역폭을 갖는다. 따라서, UWB 신호가 어느 특정 기기에 미치는 영향을 파악하기 위해서는 단순히 UWB 신호의 절대적인 특성뿐만 아니라 수신기기의 특성이 함께 고려되어야 한다. 이러한 과정은 (그림 1)의 관계를 바탕으로 수신기의 특성이 포함된 적절한 측정방법(혹은 간섭량 계산방법)의 필요성을 도출하는 기술적인 바탕이 되었으며, 미국의 경우, NTIA에서는 UWB 신호의 특성과 수신기기(혹은 간섭을 받는 기기)의 RF 특성이 모두 고려된 측정 방법을 제시하였다[3].

(그림 1 a)에서 신호의 평균 크기는 신호의 최대 크기에 duty cycle(τ/T)을 곱한 값으로 나타난다. 상기의 그림과 같이 펄스의 주기(혹은 펄스 반복 주파수(PRF))와 크기가 시간에 따라 변하지 않으면 신호의 평균 크기를 위와 같이 쉽게 예측 가능하다. 하지만 여러가지 변조 등으로 인해 펄스의 주기가 변화하는 경우의 신호의 평균 크기는 시간의 함수로 인해 지속적으로 변하게 된다. UWB의 신호도 펄스신호에 대해 적용하는 다양한 변조 방식에 따라 펄스의 주기가 상수 혹은 시간에 따른 변수로 결정되는데 이러한 경우 신호의 크기를 직접적으로 결정하는 것은 거의 불가능하다. 이는 위의 라인 스펙트럼 특성과 함께 UWB 신호의 측정 및 간섭을 분석을 위해 요구되는 특정 수신기기로 유입되는 신호량의 결정을 어렵게 만드는 또 다른 요소이다. (그림 2)는 시간 영역에서의 펄스폭과 라인 스펙트럼 사이의 반비례 관계를 보여주고 있다[5,6].

2. 펄스 신호의 수신

(그림 1 b)의 라인 스펙트럼을 수신 대역폭이 서로 다른 수신기기로 수신하였을 경우의 수신특성은 외부에 존재하는 신호가 수신기기로 유입되어 IF 단을 통과한 이후의 외부 신호 특성을 파악하기 위해 꼭 필요하다. (그림 3)은 라인 스펙트럼의 특성을 갖는 신호와 대역폭이 제한된 임의의 수신기기를 통과한 신호의 특성을 비교하여 보여준다

우선 B_IF1은 라인 스펙트럼들을 모두 포함할 수 있을 정도로 수신 대역폭이 충분히 넓은 경우이고, B_IF2는 몇 개의 라인 스펙트럼만을 포함하는 경우이며, B_IF3는 수신 대역폭이 아주 좁아서 하나의 라인 스펙트럼만을 포함하는 경우를 각각 의미한다.

수신기기에 수신된 신호는 (그림 3 b)와 같이 표현된다. 신호 1의 경우, 모든 라인 스펙트럼을 포함하므로, (그림 1 a)의 펄스 신호의 특성을 그대로 재복원해낸다. 하지만 신호 2와 신호 3의 경우는 그렇지 못하다. 우선 신호 2의 경우는 몇 개의 스펙트럼만을 포함하므로 시간 영역에서의 수신 신호는 그림에서와 같이 통과된 라인 스펙트럼의 개수만큼의 펄스를 갖는다. 펄스의 크기는 주파수 영역에서 수신될 때 각각의 주파수에서 필터의 응답에 비례한다. 신호 3의 경우는 단 하나의 라인 스펙트럼만을 포함하므로 시간 영역에서는 크기가 일정한 연속적인 신호 특성을 나타낸다. 신호의 크기는 신호 1 및 신호 2의 크기에 비해 수신 필터를 통과한 라인 스펙트럼의 수가 적으므로 상대적으로 감소하게 된다.

위와 같은 외부 유입신호(예: UWB 신호)와 다양한 수신기기를 통과한 수신신호의 특성은 간섭 분석에 있어서 유입신호의 특성과 함께 파악해야 할 중요한 요소이다.

3. 신호 세기의 확률분포

신호 세기의 확률분포(Amplitude Probability Distribution: APD)는 신호 세기에 대한 통계적인 분석을 필요로 할 경우 이용되는 것으로, 불연속적인 신호 수신에 있어서 수신된 신호와 잡음 그리고 수신 대역폭 사이의 관계를 잘 보여준다[3].

(그림 4)는 대역폭이 제한된 시스템에 수시된 가우시안 잡음(Gaussian noise)과 비가우시안(Non-Gaussian noise) 잡음에 대한 APD 곡선을 보여주고 있다. 가우시안 잡음의 경우 가우시안 분포를 갖기 때문에 APD 그래프상에서 일직선을 나타내고 있다. 반대로, 비가우시안 잡음의 경우, APD 그래프상에서 곡선을 나타낸다. (그림 4)를 보면 가우시안 분포를 갖는 신호의 경우, 입력된 신호 대역폭에 따라서 APD 그래프가 상하로 움직이는 것을 볼 수 있다. 그림에서 BW2>BW1 인 관계를 알 수 있으며, 또한 APD 그래프는 수신 대역폭에 직접적으로 비례한다는 것을 알 수 있다. 그 외에도 입력 신호의 특성에 따른 평균전력, 평균전압, 메디안 등의 여러가지 값들을 그래프상에서 찾아 볼 수 있다.

(그림 5)는 주기적인 사인 펄스 입력신호와 수신 대역폭과의 상관관계를 보여주고 있다. 두 그림은 모두 수신 필터가 펄스의 중심주파수에 정확히 동조되어 있음을 가정한다. 우선 첫번째 그림은 수신 필터의 대역폭이 펄스 반복 주파수(PRF)보다 좁은 경우를 의미한다. 특히 수신 필터의 대역폭이 펄스 반복 주파수에 비해 훨씬 좁을 경우, APD 그래프는 직선으로 나타난다. 이는 필터 대역폭이 극단적으로 좁아져 필터를 통과한 신호가 거의 일정한 크기만을 갖게 된다는 것을 의미한다. 두번째 그림에서는 펄스 신호의 대역폭과 펄스 반복 주파수의 관계를 보여준다. 펄스 신호 대역폭이 펄스 반복 주파수보다 훨씬 넓은 경우, 그렇지 못한 경우에 비해 전체적인 곡선이 많이 상승하게 된다.

전체적으로 그래프가 상승한 것은 펄스 대역폭이 넓어짐에 따라 수신되는 신호량이 증가했다는 것을 의미한다. 첨두치에 해당하는 부분의 상승은 입력된 신호의 첨두치에 가까운 값들의 크기가 (d)의 경우보다 크다는 것을 의미한다. 위와 같은 방법을 통해, 여러가지 변조방식을 통해 다양한 펄스 특성을 갖는 UWB 신호가 다양한 통과대역을 갖는 수신기기들로 입력되는 수신량을 분석 가능하며 이를 바탕으로 간섭분석을 위한 여러가지 파라미터 들을 설정 가능하다.

III. 시간 및 주파수 영역의 UWB 신호 측정

1. UWB 신호 측정

변조 방식 및 기타 응용 분야에 따라 다양한 특성을 갖는 UWB 신호들의 정확한 분석을 위해서는 정확한 측정이 필요하다. NTIA에서는 UWB 신호의 특성을 파악하기 위해 <표 2> 및 <표 3>과 같은 구성으로 몇 가지 측정을 수행하였다[3].

우선 <표 2>는 측정 구성을 보여준다. 측정방법은 전도성 측정과 복사성 측정이 모두 이루어졌는데, 복사성 측정의 경우 측정 전파 환경과 사용된 안테나의 특성 등 기타 여러가지 요소들이 UWB 신호의 분석에 함께 포함되어야 하므로 본 논문에서는 생략한다. 측정구분은 수신기기의 대역폭이 UWB 신호 대역폭만큼 충분히 넓은 경우를 전대역(full-bandwidth) 측정으로 그렇지 못한 경우는 제한대역(bandwidth limited) 측정으로 구분하였다. 전대역 측정의 경우 샘플링 오실로스코프(sampling oscilloscope)와 single-event transient digitizer가 사용되었고 제한대역 측정에 있어서는 스펙트럼 분석기(spectrum analyzer)가 사용되었다. <표 3>은 신호발생을 위해 사용된 UWB 기기를 정리한 것이다. 기기의 구분은 각각의 기기가 생성하는 신호의 특성을 바탕으로 이루어졌으며 그 특성들은 표에서 제시한 바와 같다. (그림 6)은 전도성 측정에 이용된 간략한 측정의 구성을 보여준다[3]. 위의 구성으로 측정된 시간 및 주파수 영역에서의 UWB기기가 발생시키는 몇 가지 신호 특성들이 (그림 7)에 주어져 있다. (그림 7)의 결과는 모두 전대역 측정을 이용한 측정결과이다[3].

제한 대역 측정의 경우, 그 측정결과는 (그림 7)과 같이 간단하지 않으며 UWB 신호 특성과 수신기기의 대역폭 사이에 고려해야 할 여러가지 파라미터들이 존재한다. 모든 측정에 있어서 기본적으로 측정의 결과는 측정기기(혹은 수신기기)의 임펄스 응답(impulse response)과 입력 신호 사이의 컨벌루션(convolution)에 의한 것이다. 예를 들면, 시간 영역에서의 측정의 경우, 측정 결과는 측정기기의 가장 느린 시간 응답을 갖는 요소의 가장 빠른 응답에 의해 결정된다. 주파수 영역에서의 측정결과는 비교적 좁은 IF 대역폭과 입력 신호 스펙트럼 사이의 컨벌루션의 결과이며, 우리가 흔히 보는 스펙트럼 분석기의 분해 대역폭(resolution bandwidth: RBW)을 조정함에 따른 측정결과의 변화 또한 위와 같은 컨벌루션의 결과이다.

주파수 영역의 측정에서 측정기기의 IF 대역폭은 이론적으로 좁아질수록 원래의 입력 신호에 가까운 신호를 복원해낸다. 그러나 실제적인 측정에 있어서 좁은 IF 대역폭의 설정은 다음과 같은 문제를 야기할 수 있다. 그 첫번째 문제점은 측정에 소요되는 시간이 길어진다는 것이다. 이는 주파수 대역을 측정하는 기기가 갖는 기본적인 스윕(sweep) 기능 때문이다. 즉, 좁은 IF 대역폭을 이용해 미리 설정된 주파수 범위를 스윕하는데 걸리는 시간은 상대적으로 넓은 IF 대역폭을 이용했을 때 보다 길어지기 때문이다. 두번째 문제점은 측정된 신호의 신호 대 잡음비(signal to noise ratio: SNR)가 나빠질 수 있다는 것이다. 이러한 문제점은 신호의 특성이 잡음과 유사한 경우에는 발생하지 않는다. 신호대 잡음비의 감소는 컨벌루션 과정을 통해 측정된 신호 전력이 IF 대역폭의 로그값(=10log₁₀(IF 대역폭))보다 빠르게 변화할 수 있기 때문이다. 반대로 생각하면 잡음 신호 전력 또는 잡음과 유사한 신호의 전력은 IF 대역폭에 직접적으로 비례한다는 것을 바탕으로 신호 대 잡음비의 감소 현상을 유추할 수 있다.

2. 스펙트럼 측정 결과

라인 스펙트럼을 보이는 신호 전력의 세기는 펄스의 특성을 포함하여 평균 및 첨두 전력으로 표현할 수 있다. 우선 시간 영역에서 주기적으로 반복되는 펄스를 가정한다. 펄스 신호 스펙트럼의 중심 주파수에서 스펙트럼 분석기의 첨두 검파모드(peak detector mode)를 이용하여 측정한 스펙트럼 라인의 전압을 A라 하면 스펙트럼 라인의 전력, 평균전력 및 첨두 전력은 다음 식과 같이 주어진다.

(1)

(2)

<![endif]> (3)

식 (1)의 평균전력 P_avg는 시간 평균의 의미를 가지므로 개별 라인 스펙트럼은 측정시간동안 신호가 발사되지 않는 구간까지 모두 포함하여 평균값으로 계산된다. 이 구간은 펄스반복주기(PRI)에서 펄스폭을 뺀 양이되며, 따라서 duty cycle(<1) 이 더해진 값이 평균전력이 된다. 전체 첨두전력 P_peak의 세기는 측정 대역폭(수신기기의 IF 대역폭)에 포함된 스펙트럼 라인의 개수만큼 증가하게 되므로, 식 (3)과 같이 주어진다. 이러한 특성은 UWB 신호를 어느 특정한 수신기기가 수신하였을 때, 수신기기의 통과 대역폭에 따라 그 유입 전력량이 큰 차이를 보이면서 변화한다는 것을 의미한다.

(그림 8)은 동일한 송신신호에 대해 수신기기의 IF 필터 대역폭을 변화시켰을 경우의 수신신호가 변화하는 모습을 보여준다[3].

그림에서 사용된 송신신호는 펄스폭이 1㎲, 펄스 반복 주파수가 10kHz(PRI=100㎲), 그리고 송신 첨두전력이 –20dBm, RMS 평균전력이 –40dBm인 펄스 신호이다. 그림에서 알 수 있듯이 송신 신호와 IF 필터 사이의 컨벌루션으로 인해 IF 필터 대역폭이 좁을수록 원 신호(라인 스펙트럼)에 더 가까운 신호를 복원해낸다. 그러나 필터 대역폭이 펄스 반복 주파수에 비해 넓어지면 원 신호 복원은 힘들어지고 그 수신 레벨 또한 증가하게 된다. 그림에서는 IF 필터 대역폭이 10kHz이상일 때부터 수신신호 모양은 거의 평평한 형태로 되며, 크기 또한 증가 하는 것을 알 수 있다. 다른 한가지 주목할 만한 것은 필터 대역폭이 10kHz 이상일 때부터 수신전력레벨의 변화량이 약 10dB 로 일정하다는 것이다. 이는 식 (3)과 밀접한 관계가 있다. 우선 송신 신호의 PRF=10kHz임을 염두에 두고 (그림 3 a)를 살펴보면 스펙트럼 라인의 간격이 PRF와 동일함을 알 수 있다. 따라서 IF 통과 대역폭의 변화를 PRF로 정규화해주면 필터 대역폭의 변화에 따른 수신전력레벨의 변화폭을 예측할 수 있다. 따라서 (그림 8)의 경우의 수신전력레벨 변화는 식 (4)로 주어진다.

(4)

식 (4)를 바탕으로 계산해 보면 수신전력의 변화는 약 10dB가 되고, 이는 (그림 8)의 결과와 잘 일치한다.

앞서 측정기기(혹은 수신기기)의 IF 대역폭의 변화에 따른 장단점을 비교해 보았는데, 여기서는 IF 대역폭의 변화에 따른 수신 신호레벨의 변화를 좀 더 구체적으로 살펴보겠다. (그림 9)는 IF 필터 대역폭의 변화에 따른 수신 신호레벨의 변화를 비교가 용이하도록 한 곳에 모아 놓은 것이다[3]. 그림에서 파란색으로 동그라미쳐진 부분은 송신기기의 PRF가 10kHz임을 의미한다. 그림에서 알 수 있듯이 IF 필터 대역폭이 PRF 10kHz보다 클 경우에는 수신 전력량이 약 10dB간격으로 변화하며, 그렇지 않을 경우에는 약 5dB 간격으로 변화한다.

이제 UWB 신호의 APD 특성에 대하여 살펴 보겠다. 앞서 언급된 바와 같이 APD는 신호의 첨두, 평균 및 메디안 값의 특성을 하나의 그래프상에서 모두 볼 수 있는 편리한 툴이 된다. 이러한 APD 그래프는 가우시안 분포를 갖는 신호가 그래프상에서 일정 기울기를 갖는 직선으로 나타나는 것을 바탕으로 신호 세기의 분포 또한 파악하기 위한 도구로 사용된다. (그림 10)은 PRF가 1MHz 이고, duty cycle이 0.05인 UWB device D를 송신기기로 하여 나타낸 그래프이다[3]. 그래프를 보면 PRF값을 기준으로 PRF 보다 넓은 IF 필터 대역폭을 통과한 신호들은 첨두 전력에 가까운 쪽(x축의 좌측)의 곡선이 비교적 높은 값을 나타내고 있다. 그리고 PRF보다 좁은 필터 대역폭을 통과한 신호들은 제일 아래에 있는 가우시안 분포를 갖는 신호와 유사한 형태를 띄고 있음을 알 수 있다. 또한 넓은 대역폭을 통과한 신호들의 차이는 식 (4)를 정확히 만족시키고 있으며, 좁은 대역폭을 통과한 신호들은 정확히 필터 대역폭의 로그값만큼 변화하고 있다. 예를 들어 각각 20MHz와 3MHz의 통과 대역을 갖는 필터를 통과한 신호는 비교적 정확히 16.5dB(≈20log₁₀(20/3)) 정도가 차이남을 확인할 수 있다.

3. UWB 신호의 수신 결과

기술된 내용들을 바탕으로 펄스 특성을 갖는 UWB 신호를 협대역(narrow band) 시스템이 수신하였을 경우 그 수신 특성은 아래와 같이 정리된다.

• IF 필터 대역폭 > UWB 신호의 PRF

- 수신 첨두 전력

= 20log10(IF 필터대역폭/UWB 신호의 PRF)+라인 스펙트럼 전력

• IF 필터 대역폭 < UWB 신호의 PRF

- 수신 첨두 전력

= 20log10(IF 필터대역폭/UWB 신호의 PRF)+라인 스펙트럼 전력

• IF 필터 대역폭 << UWB 신호의 PRF

- 입력신호분포가 잡음신호와 다를 경우 신호 대 잡음비의 저하 초래

IV. 결 론

지금까지 동일한 UWB 신호를 수신하는 서로 다른 수신기기에 대한 간섭량(UWB 신호의 입력량)의 계산을 위해서는 수신기기의 통과대역폭에 대한 정보가 반드시 필요하다는 것을 알 수 있다. 이러한 결과를 바탕으로 UWB 신호의 측정을 위해서는 기존의 연속(CW)신호의 측정과는 다른 방법을 도입하여야 한다는 것을 파악할 수 있었다. 위와 같은 측정을 바탕으로 향후 국내에 도입될 UWB 기기가 기존의 시스템에 미치는 영향에 대하여 RF 레벨에서 좀 더 정확한 분석이 가능하며, 나아가 이러한 측정방법은 UWB 기기의 국내 운용에 대한 기술적인 조건의 제시에 응용될 것이라고 전망된다.

<참 고 문 헌>

[1] First report and order, FCC, ET Docket 98-153, FCC 02-48, Apr. 22, 2002.

[2] Code of federal regulation, title 47, part 15, subpart F, Oct. 1, 2002.

[3] W. A. Kissick, “The temporal and spectral characteristics of ultrawideband signals”, NTIA report 01-383, Jan. 2001.

[4] L. K. Brunson, J. P. Camacho, et al., “Assessment of compatibility between ultrawideband devices and selected federal systems”, NTIA special publication 01-43, Jan. 2001.

[5] Ronald N. Bracewell, The Fourier Transform and its Applications, McGraw-Hill, 1978.

[6] Pulsed carrier phase noise measurements, Agilent AN 1309.

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